Реферат: Единая теория Вселенной или теория всего

Единая теория Вселенной, или Теория всего — гипотетическаяобъединенная физико-математическая теория, описывающая все известныефундаментальные взаимодействия. Первоначально данный термин использовался вироническом ключе для обозначения разнообразных обобщенных теорий. Со временемтермин закрепился в популяризациях квантовой физики для обозначения теории,которая бы объединила все четыре фундаментальные взаимодействия в природе:гравитационное, электромагнитное, сильное ядерное и слабое ядерноевзаимодействие. Кроме того, она должна объяснять существование всехэлементарных частиц. Поиски Единой теории называют одной из главных целейсовременной науки. (10)

Идея единой теории возникла благодаря знаниям,накопленным не одним поколением учёных. По мере получения знаний расширялосьпредставление человечества об окружающем мире и его законах. Поскольку научнаякартина мира представляет собой обобщенное, системное образование, еерадикальное изменение нельзя свести к отдельному, пусть даже и крупнейшемунаучному открытию. Последнее может, однако, породить некую цепную реакцию,способную дать целую серию, комплекс научных открытий, которые и приведут вконечном счете к смене научной картины мира. В этом процессе наиболее важны,конечно, открытия в фундаментальных науках, на которые она опирается. Крометого, помня о том, что наука — это прежде всего метод, нетрудно предположить,что смена научной картины мира должна означать и радикальную перестройкуметодов получения нового знания, включая изменения и в самих нормах и идеалахнаучности.(11)

Развитие представления о мире происходило не сразу. Такихчетко и однозначно фиксируемых радикальных смен научных картин мира, т.е.научных революций, в истории развития науки вообще и естествознания в частностиможно выделить три. Если их персонифицировать по именам ученых, сыгравших вэтих событиях наиболее заметную роль, то три глобальных научных революциидолжны именоваться аристотелевской, ньютоновской и эйнштейновской.

В VI — IV вв. до н.э. была осуществлена первая революцияв познании мира, в результате которой и появляется на свет сама наука. Историческийсмысл этой революции заключается в отличении науки от других форм познания иосвоения мира, в создании определенных норм и образцов построения научногознания. Конечно, проблема возникновения Вселенной занимала умы людей уже оченьдавно.

Согласно ряду ранних иудейско‑христианско‑мусульманскиммифам, наша Вселенная возникла в какой‑то определенный и не оченьотдаленный момент времени в прошлом. Одним из оснований таких верований былапотребность найти «первопричину» существования Вселенной. Любое событие воВселенной объясняют, указывая его причину, т. е. другое событие, произошедшеераньше; подобное объяснение существования самой Вселенной возможно лишь в томслучае, если у нее было начало. Другое основание выдвинул Блаженный Августин(православная Церковь считает Августина блаженным, а Католическая – святым). вкниге «Град Божий». Он указал на то, что цивилизация прогрессирует, а мыпомним, кто совершил то или иное деяние и кто что изобрел. Поэтомучеловечество, а значит, вероятно, и Вселенная, вряд ли очень долго существуют.Блаженный Августин считал приемлемой дату сотворения Вселенной, соответствующуюкниге «Бытия»: приблизительно 5000 год до нашей эры. (Интересно, что эта датане так уж далека от конца последнего ледникового периода – 10 000 лет до н. э.,который археологи считают началом цивилизации).(8)

Аристотелю же и большинству других греческих философов ненравилась идея сотворения Вселенной, так как она связывалась с божественнымвмешательством. Поэтому они считали, что люди и окружающий их мир существовалии будут существовать вечно. Довод относительно прогресса цивилизации ученыедревности рассматривали и решили, что в мире периодически происходили потопы идругие катаклизмы, которые все время возвращали человечество к исходной точкецивилизации.

Аристотель создал формальную логику, т.е. фактическиучение о доказательстве, — главный инструмент выведения и систематизациизнания; разработал категориально-понятийный аппарат; утвердил своеобразныйканон организации научного исследования (история вопроса, постановка проблемы,аргументы «за» и «против», обоснование решения); предметно дифференцировал самонаучное знание, отделив науки о природе от метафизики (философии), математики ит.д. Заданные Аристотелем нормы научности знания, образцы объяснения, описанияи обоснования в науке пользовались непререкаемым авторитетом более тысячи лет,а многое (законы формальной логики, например) действенно и поныне.

Важнейшим фрагментом античной научной картины мира сталопоследовательное геоцентрическое учение о мировых сферах. Геоцентризм той эпохивовсе не был «естественным» описанием непосредственно наблюдаемых фактов. Этобыл трудный и смелый шаг в неизвестность: ведь для единства инепротиворечивости устройства космоса пришлось дополнить видимую небесную полусферуаналогичной невидимой, допустить возможность существования антиподов, т.е.обитателей противоположной стороны земного шара, и т.д. (11)

Аристотель думал, что Земля неподвижна, а Солнце, Луна,планеты и звезды обращаются вокруг нее по круговым орбитам. Он так полагал, ибов соответствии со своими мистическими воззрениями Землю считал центромВселенной, а круговое движение – самым совершенным. Птолемей во II веке развилидею Аристотеля в полную космологическую модель. Земля стоит в центре,окруженная восемью сферами, несущими на себе Луну, Солнце и пять известныхтогда планет: Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн (рис. 1.1). Сами планеты,считал Птолемей, движутся по меньшим кругам, скрепленным с соответствующимисферами. Это объясняло тот весьма сложный путь, который, как мы видим,совершают планеты. На самой последней сфере располагаются неподвижные звезды,которые, оставаясь в одном и том же положении друг относительно друга, движутсяпо небу все вместе как единое целое. Что лежит за последней сферой, необъяснялось, но во всяком случае это уже не было частью той Вселенной, которуюнаблюдает человечество.

/>

Модель Птолемея позволяла неплохо предсказывать положениенебесных тел на небосводе, но для точного предсказания ему пришлось принять,что траектория Луны в одних местах подходит к Земле в 2 раза ближе, чем вдругих! Это означает, что в одном положении Луна должна казаться в 2 разабольшей, чем в другом! Птолемей знал об этом недостатке, но тем не менее еготеория была признана, хотя и не везде. Христианская Церковь приняла Птолемеевумодель Вселенной как не противоречащую Библии, ибо эта модель была очень хорошатем, что оставляла за пределами сферы неподвижных звезд много места для ада ирая. Однако в 1514 г. польский священник Николай Коперник предложил еще болеепростую модель. (Вначале, опасаясь, наверное, того, что Церковь объявит егоеретиком, Коперник пропагандировал свою модель анонимно). Его идея состояла втом, что Солнце стоит неподвижно в центре, а Земля и другие планеты обращаютсявокруг него по круговым орбитам. Прошло почти столетие, прежде чем идеюКоперника восприняли серьезно. Два астронома – немец Иоганн Кеплер и итальянецГалилео Галилей – публично выступили в поддержку теории Коперника, несмотря нато что предсказанные Коперником орбиты не совсем совпадали с наблюдаемыми.Теории Аристотеля– Птолемея пришел конец в 1609 г., когда Галилей началнаблюдать ночное небо с помощью только что изобретенного телескопа. Направивтелескоп на планету Юпитер, Галилей обнаружил несколько маленьких спутников,или лун, которые обращаются вокруг Юпитера. Это означало, что не все небесныетела должны обязательно обращаться непосредственно вокруг Земли, как считалиАристотель и Птолемей. (Разумеется, можно было по прежнему считать, что Земляпокоится в центре Вселенной, а луны Юпитера движутся по очень сложному путивокруг Земли, так что лишь кажется, будто они обращаются вокруг Юпитера. Однакотеория Коперника была значительно проще.) В то же время Иоганн Кеплермодифицировал теорию Коперника, исходя из предположения, что планеты движутсяне по окружностям, а по эллипсам (эллипс – это вытянутая окружность). Наконец‑тотеперь предсказания совпали с результатами наблюдений.

Что касается Кеплера, то его эллиптические орбиты былиискусственной гипотезой, и притом «неизящной», так как эллипс гораздо менеесовершенная фигура, чем круг. Почти случайно обнаружив, что эллиптическиеорбиты хорошо согласуются с наблюдениями, Кеплер так и не сумел примирить этотфакт со своей идеей о том, что планеты обращаются вокруг Солнца под действиеммагнитных сил. Объяснение пришло лишь гораздо позднее, в 1687 г., когда ИсаакНьютон опубликовал свою книгу «Математические начала натуральной философии».Ньютон в ней не только выдвинул теорию движения материальных тел во времени ипространстве, но и разработал сложные математические методы, необходимые дляанализа движения небесных тел.

Кроме того, Ньютон постулировал закон всемирноготяготения, согласно которому всякое тело во Вселенной притягивается к любомудругому телу с тем большей силой, чем больше массы этих тел и чем меньшерасстояние между ними. Это та самая сила, которая заставляет тела падать наземлю. (Рассказ о том, что Ньютона вдохновило яблоко, упавшее ему на голову,почти наверняка недостоверен. Сам Ньютон сказал об этом лишь то, что мысль отяготении пришла, когда он сидел в «созерцательном настроении», и «поводом былопадение яблока»).

Далее Ньютон показал, что, согласно его закону, Луна поддействием гравитационных сил движется по эллиптической орбите вокруг Земли, аЗемля и планеты вращаются по эллиптическим орбитам вокруг Солнца.(8) МодельНьютона – это одно тело, движущееся в абсолютном бесконечном пространстверавномерно и прямолинейно до тех пор, пока на это тело не подействует сила(первый закон механики) или два тела, действующих друг на друга с равными ипротивоположно направленными силами (третий закон механики); сама же силасчитается просто причиной ускорения движущихся тел (второй закон механики), тоесть, как бы существует сама по себе и неизвестно откуда берется.(5)

От Ньютона сохранилось рассмотрение механики какуниверсальной физической теории. В XIX в. это место заняла механистическаякартина мира, включающая механику, термодинамику и кинетическую теорию материи,упругую теорию света и электромагнетизм. Открытие электрона стимулировалопересмотр представлений. В конце века Х.Лоренц построил свою электронную теориюдля охвата всех явлений природы, но этого не достиг. Проблемы, связанные сдискретностью заряда и непрерывностью поля, и проблемы в теории излучения(«ультрафиолетовая катастрофа») привели к созданию квантово-полевой картинымира и квантовой механики.(7)

Классический пример использования абстрактных понятий дляобъяснения природы дал в 1915 г. Эйнштейн, опубликовав свою поистине эпохальнуюобщую теорию относительности. Эта работа принадлежит к числу немногих, которыезнаменуют поворотные моменты в представлениях человека об окружающем мире.Красота теории Эйнштейна обусловлена не только могуществом и элегантностьюуравнений гравитационного поля, но и всесокрушающим радикализмом егo взглядов.Общая теория относительности уверенно провозгласила, что гравитацияпредставляет собой геометрию искривлённoгo пространства. На смену представлениюоб ускорении в пространстве пришло представление об искривлении пространства. (2)

После создания СТО ожидалось, что всеобщий охват мираприроды способна дать электромагнитная картина мира, соединявшая теориюотносительности, теорию Максвелла и механику, но и эта иллюзия вскоре быларазвеяна.(7)

Специальная теория относительности (СТО) (частная теорияотносительности; релятивистская механика) — теория, описывающая движение,законы механики и пространственно-временные отношения при скоростях движения,близких к скорости света. В рамках специальной теории относительностиклассическая механика Ньютона является приближением низких скоростей. ОбобщениеСТО для гравитационных полей называется общей теорией относительности (ОТО).(10)В основу СТО положены два постулата:

1. Во всех инерциальных системах отсчета скорость светанеизменна (является инвариантом) и не зависит от движения источника, приемника илисамой системы отсчета. В классической механике Галилея — Ньютона величина скоростиотносительного сближения двух тел всегда больше скоростей этих тел и зависиткак от скорости одного объекта, так и от скорости другого. Поэтому нам трудноповерить, что скорость света не зависит от скорости его источника, но этонаучный факт.

2. Реальное пространство и время образуют единый четырехмерныйпространственно-временной континуум так, что при переходе между системамиотсчета сохраняется неизменным величина пространственно-временного интерваламежду событиями. В СТО не существует событий одномоментных во всех системахотсчета. Здесь два события, одновременные в одной системе отсчета, выглядятразновременными с точки зрения другой, движущейся или покоящейся, системыотсчета.

В специальной теории относительности сохраняются всеосновные определения классической физики — импульса, работы, энергии. Однакопоявляется и новое: в первую очередь — зависимость массы от скорости движения.Поэтому нельзя использовать классическое выражение для кинетической энергии,ведь оно получено в предположении о неизменности массы объекта.(6)

Многие теоретики пытались едиными уравнениями охватитьгравитацию и электромагнетизм. Под влиянием Эйнштейна, который ввелчетырехмерное пространство-время, строились многомерные теории поля в попыткахсвести явления к геометрическим свойствам пространства.

Объединение осуществилось на основе установленнойнезависимости скорости света для разных наблюдателей, движущихся в пустомпространстве при отсутствии внешних сил. Эйнштейн изобразил мировую линиюобъекта на плоскости (рис.2), где пространственная ось направленагоризонтально, а временная — вертикально. Тогда вертикальная прямая — этомировая линия объекта, который покоится в данной системе отсчета, а наклонная —объекта, движущегося с постоянной скоростью. Кривая мировая линия соответствуетдвижению объекта с ускорением. Любая точка на этой плоскости отвечает положениюв данном месте в данное время и называется событием. Гравитация при этом уже несила, действующая на пассивном фоне пространства и времени, а представляетсобой искажение самого пространства-времени. Ведь гравитационное поле — это«кривизна пространства-времени.(7)

/>

Рис.2. Пространственно-временная диаграмма

Вскоре после создания (1905 год) специальная теорияотносительности перестала устраивать Эйнштейна, и он начал работать над еёобобщением. То же произошло и с общей теорией относительности. В 1925 годуЭйнштейн начал работать над теорией, которой ему было суждено заниматься скраткими перерывами до конца дней. Основная проблема, которая его волновала, —природа источников поля — уже имела к тому моменту, когда ей занялся Эйнштейн,определённую историю. Почему, например, частицы не разваливаются? Ведь электроннесёт отрицательный заряд, а отрицательные заряды отталкивают друг друга, т.е.электрон должен был бы взорваться изнутри из-за отталкивания соседних участков!

В каком-то смысле эта проблема сохранилась досегодняшнего дня. Пока ещё не построена удовлетворительная теория, описывающаясилы, которые действуют внутри электрона, но трудности удаётся обойти,предположив, что у электрона нет внутренней структуры — это точечный заряд, неимеющий размеров и, следовательно, не разрываемый изнутри.(4)

Тем не менее принято считать, что основные положениясовременной космологии — науки о строении и эволюции Вселенной — начали формироватьсяпосле создания в 1917 г. А. Эйнштейном первой релятивистской модели, основаннойна теории гравитации и претендовавшей на описание всей Вселенной. Эта модель характеризоваластационарное состояние Вселенной и, как показали астрофизические наблюдения,оказалась неверной.

Важный шаг в решении космологических проблем сделал в 1922г. профессор Петроградского университета А.А. Фридман (1888—1925). В результатерешения космологических уравнений он пришел к выводу: Вселенная не можетнаходиться в стационарном состоянии — все галактики удаляются в прямомнаправлении друг от друга, и поэтому все они находились в одном месте.

Следующий шаг был сделан в 1924 г., когда в обсерватории МаунтВилсон в Калифорнии американский астроном Э. Хаббл (1889—1953) измерилрасстояние до ближайших галактик (в то время называемых туманностями) и темсамым открыл мир галактик. Когда астрономы начали исследование спектров звезддругих галактик, обнаружилось нечто еще более странное: в нашей собственнойГалактике оказались те же самые характерные наборы отсутствующих цветов, что иу звезд, но все они были сдвинуты на одну и ту же величину к красному концуспектра. Видимый свет – это колебания, или волны электромагнитного поля.Частота (число волн в одну секунду) световых колебаний чрезвычайно высока – отчетырехсот до семисот миллионов волн в секунду. Человеческий глаз воспринимаетсвет разных частот как разные цвета, причем самые низкие частоты соответствуюткрасному концу спектра, а самые высокие – фиолетовому. Представим себе источниксвета, расположенный на фиксированном расстоянии от нас (например, звезду),излучающий с постоянной частотой световые волны. Очевидно, что частотаприходящих волн будет такой же, как та, с которой они излучаются (пустьгравитационное поле галактики невелико и его влияние несущественно).Предположим теперь, что источник начинает двигаться в нашу сторону. Прииспускании следующей волны источник окажется ближе к нам, а потому время, закоторое гребень этой волны до нас дойдет, будет меньше, чем в случаенеподвижной звезды. Стало быть, время между гребнями двух пришедших волн будетменьше, а число волн, принимаемых нами за одну секунду (т. е. частота), будетбольше, чем когда звезда была неподвижна. При удалении же источника частотаприходящих волн будет меньше. Это означает, что спектры удаляющихся звезд будутсдвинуты к красному концу (красное смещение), а спектры приближающихся звезддолжны испытывать фиолетовое смещение. Такое соотношение между скоростью ичастотой называется эффектом Доплера, и этот эффект обычен даже в нашейповседневной жизни. Эффектом Доплера пользуется полиция, определяя издалекаскорость движения автомашин по частоте радиосигналов, отражающихся от них.

Доказав, что существуют другие галактики, Хаббл всепоследующие годы посвятил составлению каталогов расстояний до этих галактик инаблюдению их спектров. В то время большинство ученых считали, что движениегалактик происходит случайным образом и поэтому спектров, смещенных в краснуюсторону, должно наблюдаться столько же, сколько и смещенных в фиолетовую.Каково же было удивление, когда у большей части галактик обнаружилось красноесмещение спектров, т. е. оказалось, что почти все галактики удаляются от нас!Еще более удивительным было открытие, опубликованное Хабблом в 1929 г.: Хабблобнаружил, что даже величина красного смещения не случайна, а прямопропорциональна расстоянию от нас до галактики. Иными словами, чем дальшенаходится галактика, тем быстрее она удаляется! А это означало, что Вселеннаяне может быть статической, как думали раньше, что на самом деле она непрерывнорасширяется и расстояния между галактиками все время растут.(8)

Расширение Вселенной означает, что в прошлом ее объем былменьше, чем ныне. Если в модели Вселенной, разработанной Эйнштейном иФридманом, время повернуть вспять, события пойдут в обратном порядке, как вкинофильме, запущенном с конца. Тогда получится, что примерно 13 млрд. летназад радиус Вселенной был очень мал, т. е. вес галактики, межзвездная среда иизлучение — словом, все, что ныне составляет Вселенную, было сосредоточено вничтожно малом объеме, близком к нулю. Это первичное сверхплотное исверхгорячее состояние Вселенной не имеет аналогов в современной намдействительности.(2) Предполагается, что в то время плотность веществаВселенной была сравнима с плотностью атомного ядра и вся Вселенная представляласобой огромную ядерную каплю. По каким-то причинам ядерная капля оказалась в неустойчивомсостоянии и взорвалась. Это предположение лежит в основе концепции большоговзрыва.(12)

Ближе всех к реализации мечты Эйнштейна подошелмалоизвестный польский физик Теодор Калуца, который еще в 1921 году задалсяцелью обобщить теорию Эйнштейна, включив электромагнетизм в геометрическуюформулировку теории поля (подобно тому, как геометрия пространства-времениописывает гравитацию). Это следовало сделать так, чтобы уравнения теорииэлектромагнетизма Максвелла продолжали выполняться. Калуца понимал, что теориюМаксвелла невозможно сформулировать на языке чистой геометрии (в том смысле,как мы ее обычно понимаем), даже допуская наличие искривленного пространства.Калуца сделал следующий шаг за Эйнштейном, добавил к четырёхмерномупространству-времени пятое (не наблюдаемое) изменение в которой электромагнетизмявляется своего рода «гравитацией» (о слабом и сильном взаимодействиитогда было не известно). Встаёт вопрос: почему же мы никак не ощущаем этогопятого измерения (в отличии от первых четырёх)?

В 1926 г. шведский физик Оскар Клейн предположил, что мыне замечаем дополнительного измерения потому, что оно в некотором смысле«свернулось» до очень малых размеров. Из каждой точки пространства впятое измерение выходит небольшая петелька. Мы не замечаем всех этих петельиз-за малости их размеров. Клейн вычислил периметр петель вокруг пятогоизмерения, используя известное значение элементарного электрического зарядаэлектрона и других частиц, а также величину гравитационного взаимодействиямежду частицами. Он оказался равным 10-32 см, т.е. в 1020 раз меньше размераатомного ядра. Поэтому неудивительно, что мы не замечаем пятого измерения: оноскручено в масштабах, которые значительно меньше размеров любой из известныхнам структур, даже в физике субъядерных частиц. Очевидно, в таком случае невозникает вопроса о движении, скажем, атома в пятом измерении. Скорее этоизмерение следует представлять себе как нечто находящееся внутри атома.(7)

На некоторое время теория Клауца-Клейна была забыта, нокогда сильное, слабое и электромагнитное взаимодействие были объединены вединую теорию, и оставалось найти общую теорию для них и для гравитации, теориюКлауца-Клейна снова вспомнили. Для того, чтобы выполнялись все необходимыеоперации симметрий, пришлось присоединить ещё 7 измерений (всё пространство вцелом получилось 11-мерным). А чтобы эти дополнительные измерения не ощущались,они должны быть свёрнуты в очень малых масштабах. Однако, теперь встаёт вопрос:если одно измерение можно свернуть только в окружность, то семь измерений можносвернуть в фигуру различных топологий (либо в 7-мерный тор, либо в 7-мернуюсферу, либо в какую-либо другую фигуру). Наиболее простой моделью, к которойсклоняются большинство учёных может служить 7-мерная сфера (7-сфера). Какпредполагается, четыре наблюдаемых сейчас измерений пространства-времени несвернулись, поскольку такое состояние соответствует наименьшей энергии (ккоторому стремятся все физические системы). Существует гипотеза, согласнокоторой на ранних стадиях жизни Вселенной все эти измерения были развёрнуты.(2)

Огромное разнообразие природных систем и структур, ихособенности и динамизм обусловливаются взаимодействием материальных объектов, т.е.их взаимным действием друг на друга. Именно взаимодействие — основная причинадвижения материи, поэтому взаимодействие, как и движение, универсально, т.е. присущевсем материальным объектам вне зависимости от их приро- ды происхождения и системнойорганизации. Особенности различных взаимодействий определяют условия существованияи специфику свойств материальных объектов.

Взаимодействующие объекты обмениваются энергией и —основными характеристиками их движения. В классической физике взаимодействие определяетсясилой, с которой один материальный объект действует на другой.

Долгое время считалось, что взаимодействие материальных объектов,находящихся даже на большом расстоянии друг от друга, передается через пустое пространствомгновенно. Такое утверждение соответствует концепции дальнодействия. К настоящемувремени экспериментально подтверждена другая концепция — концепция близкодействия:взаимодействия передаются посредством физических полей с конечной скоростью, непревышающей скорости света в вакууме. Эта, по существу, полевая концепция вквантовой теории поля дополняется утверждением: при любом взаимодействии происходитобмен особыми частицами — квантами поля.

Наблюдаемые в природе взаимодействия материальных объектови систем весьма разнообразны. Однако, как показали физические исследования, всевзаимодействия можно отнести к четырем видам фундаментальных взаимодействий: гравитационному,электромагнитному, сильному и слабому.

Гравитационное взаимодействие проявляется во взаимном притяжениилюбых материальных объектов, имеющих массу. Оно передается посредствомгравитационного поля и определяется фундаментальным законом природы — законом всемирноготяготения. Законом всемирного тяготения описываются падение материальных тел вполе Земли, движение планет Солнечной системы, звезд и т.п.

В соответствии с квантовой теорией поля переносчиками гравитационноговзаимодействия являются гравитоны — частицы с нулевой массой, кванты гравитационногополя. Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими зарядами и передаетсяпосредством электрического и магнитного полей. Электрическое поле возникает приналичии электрических зарядов, а магнитное — при их движении. Изменяющеесямагнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое, в своюочередь, является источником переменного магнитного поля.

Благодаря электромагнитному взаимодействию существуют атомыи молекулы, происходят химические превращения вещества. Различные агрегатныесостояния вещества, трение, упругость и т.п. определяются силами межмолекулярноговзаимодействия, электромагнитными по своей природе. Электромагнитноевзаимодействие описывается фундаментальными законами электростатики иэлектродинамики: законом Кулона, законом Ампера и др., и в обобщенном виде —электромагнитной теорией Максвелла, связывающей электрическое и магнитное поля.Получение, преобразование и применение электрического и магнитного полей, атакже электрического тока служат основой для создания разнообразных современныхтехнических средств: электроприборов, радиоприемников, телевизоров, осветительныхи нагревательных приборов, компьютеров и т.д.

Согласно квантовой электродинамике, переносчиками электромагнитноговзаимодействия являются фотоны — кванты электромагнитного поля с нулевой массой.Во многих случаях они регистрируются приборами в виде электромагнитной волныразной длины. Например, воспринимаемый невооруженным глазом видимый свет, посредствомкоторого отражается основная доля (около 90%) информации об окружающем мире,представляет собой электромагнитную волну в довольно узком диапазоне длин волн (примерно0,4—0,8 мкм), соответствующем максимуму солнечного излучения.

Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре.Оно определяется ядерными силами, обладающими зарядовой независимостью, короткодействием,насыщением и другими свойствами. Сильное взаимодействие отвечает за стабильностьатомных ядер. Чем сильнее взаимодействие нуклонов в ядре, тем стабильнее ядро, тембольше его удельная энергия связи. С увеличением числа нуклонов в ядре и,следовательно, размера ядра удельная энергия связи уменьшается и ядро можетраспадаться, что и происходит с ядрами элементов, находящихся в конце таблицы Менделеева.

Предполагается, что сильное взаимодействие передается глюонами— частицами, «склеивающими» кварки, входящие в состав протонов, нейтронов и другихчастиц.

В слабом взаимодействии участвуют все элементарныечастицы, кроме фотона. Оно обусловливает большинство распадов элементарныхчастиц, взаимодействие нейтрино с веществом и другие процессы. Слабоевзаимодействие проявляется главным образом в процессах бета-распада атомныхядер многих изотопов, свободных нейтронов и т.д. Принято считать, чтопереносчиками слабого взаимодействия являются вионы — частицы с массой,примерно в 100 раз большей массы протонов и нейтронов.(9)

К настоящему моменту единая теория описаниявзаимодействий ещё не разработана до конца, но большинство учёных склоняются кобразованию Вселенной в результате Большого взрыва: в нулевой момент времениВселенная возникла из сингулярности, то есть из точки с нулевым объемом ибесконечно высокими плотностью и температурой. Само «начало» Вселенной, т. е.ее состояние, соответствующее, по теоретическим расчетам, радиусу, близкому кнулю, ускользает пока даже от теоретического представления. Дело в том, чтоуравнения релятивистской астрофизики сохраняют силу до плотности порядка 1093г/см3. Сжатая до такой плотности Вселенная когда-то имела радиус порядка однойдесятибиллионной доли сантиметра, т. е. по размерам была сравнима с протоном!Температура этой микровселенной, кстати сказать, весившей не менее 1051 тонн,была неимоверно велика и, по-видимому, близка к 1032 градусам. Такой Вселеннаябыла спустя ничтожную долю секунды после начала «взрыва». В самом же «начале» иплотность и температура обращаются в бесконечность, т. е. это «начало»,применяя математическую терминологию, является той особой «сингулярной» точкой,для которой уравнения современной теоретической физики теряют физический смысл.Но это не означает, что до «начала» ничего не было: просто мы не можемпредставить себе, что было до условного «начала» Вселенной. (3)

Когда возраст Вселенной достиг одной сотой доли секунды,ее температура упала примерно до 1011 К, став ниже порогового значения, прикотором могут рождаться протоны и нейтроны, некоторые из этих частиц избежалианнигиляции – иначе в современной нам Вселенной не было бы вещества. Через 1секунду после Большого взрыва температура понизилась до 10 10 К, и нейтриноперестали взаимодействовать с веществом. Вселенная стала практически«прозрачной» для нейтрино. Электроны и позитроны еще продолжали аннигилироватьи возникать снова, но примерно через 10 секунд уровень плотности энергииизлучения упал ниже и их порога, и огромное число электронов и позитроновпревратилось в излучение катастрофического процесса взаимной аннигиляции. Поокончанию этого процесса, однако, осталось определенное количество электронов,достаточное, чтобы, объединившись с протонами и нейтронами, дать начало томуколичеству вещества, которое мы наблюдаем сегодня во Вселенной.

Дальнейшая история Вселенной более спокойна, чем еебурное начало. Темп расширения постепенно замедлился, температура, как исредняя плотность, постепенно снижалась, и когда Вселенной исполнился миллионлет, ее температура стала настолько низкой (3500 градусов по Кельвину), чтопротоны и ядра атомов гелия уже могли захватывать свободные электроны ипревращаться при этом в нейтральные атомы. С этого момента, по существу,начинается современный этап эволюции Вселенной. Возникают галактики, звезды,планеты. В конце концов через много миллиардов лет Вселенная стала такой, какоймы ее видим. (3)

Но это не единственная гипотеза. Согласно одной из гипотез,Вселенная начала расширяться хаотически и беспорядочно, а затем, под действиемнекоторого механизма диссипации (затухания) возникла определённаяупорядоченность. Такое предположение о полном первичном хаосе в противовесполной первичной симметрии привлекательно тем, что здесь не требуется«творить» Вселенную в каком-либо строго определённом состоянии. Еслиучёным удастся подыскать подходящий механизм затухания, то это позволитсогласовать с наблюдаемым теперь видом Вселенной весьма обширный круг начальныхусловий.

Одна из наиболее распространённых гипотез о механизмедиссипации — это гипотеза рождения частиц и античастиц из энергии, которую даютприливные эффекты в гравитационном поле. Частицы и античастицы рождаютсяискривлённым «пустым» пространством (аналогично случаю пространства,искривлённого чёрной дырой), и пространство реагирует на такое рождениеуменьшением кривизны. Чем сильнее искривлено пространство-время, теминтенсивнее происходит рождение частиц и античастиц. В неоднородной Вселенной такиеэффекты должны были всё выравнивать, создавая состояние однородности. Возможно,даже, что вся материя во Вселенной возникла именно таким путём, а не изсингулярности. Такой процесс не требует рождения материи без антиматерии, как впервоначальной сингулярности. Трудность этой гипотезы, однако, состоит в том,что пока не удалось найти механизма разделения материи и антиматерии, которыйне позволял бы большей их части снова аннигилировать.

С одной стороны, существование неоднородностей могло бынас избавить от сингулярности, но Джордж Эллис и Стивен Хоукинг при помощиматематических моделей показали, что при учёте некоторых весьма правдоподобныхположений о поведении материи, при больших давлениях нельзя исключитьсуществование хотя бы одной сингулярности, даже если допустить отклонения отоднородности. Поведение анизотропной и неоднородной Вселенной в прошлом вблизисингулярности могло быть очень сложным, и здесь очень трудно строить какие либомодели. Проще воспользоваться моделями Фридмана, которые предсказываютповедение Вселенной от рождения до гибели (в случае сферической топологии).Хотя отклонения от однородности и не избавляют нашу Вселенную от сингулярностив пространстве-времени, тем не менее, возможно, что большая часть имеющейся насегодняшний день материи Вселенной не попадала в эту сингулярность. Такого родавзрывы, когда материя, имеющая сверхвысокую, но не бесконечную плотность,появляется по соседству с сингулярностью, были названы «скулёжем».Однако для выполнения теоремы Хоукина-Эллиса требуется, чтобы энергия идавление оставались положительными. Нет никакой гарантии, что при сверхвысокихплотностях материи эти условия выполняются.

Есть предположение, что квантовые эффекты, но уже не вматерии, а в пространстве-времени (квантовая гравитация), которые становятсяочень существенными при высоких значениях кривизны пространства-времени, моглибы предотвратить исчезновение Вселенной в сингулярности, вызывая, например,«отскок» материи при достаточно большой плотности. Однако, ввиду отсутствияудовлетворительной теории квантовой гравитации, рассуждения не дают чёткихвыводов. Если принять гипотезу «скулёжа» или квантового«отскока», то это означает, что пространство и время существовали идо этих событий.(13)

Уже после открытия расширения Вселенной, в 1946 годубританские астрофизики Герман Бонди и Томас Голд предположили что всё же, разВселенная однородна в пространстве, она должна быть однородна и во времени. Втаком случае, расширяться она должна с постоянной скоростью, а чтобы непроисходило уменьшения плотности вещества, должны непрерывно образовыватьсяновые галактики, которые заполнят промежутки, образовавшиеся от разбегания ужесуществующих галактик. Вещество для построения новых галактик непрерывнопоявляется по мере расширения Вселенной. Такая вселенная не статична, астационарна: отдельные звёзды и галактики проходят свои жизненные циклы, но вцелом Вселенная не имеет ни начала, ни конца. Для объяснения, как появляетсявещество без нарушения закона сохранения энергии, Фред Хойл придумал поленового типа — создающее поле с отрицательной энергией. При образованиивещества, отрицательная энергия этого поля усиливается, и общая энергиясохраняется.

Частота рождения атомов при такой модели настолько мала,что не может быть обнаружена экспериментально. К середине 60-х годов былисделаны открытия, свидетельствующие о том, что Вселенная эволюционирует. Затембыло открыто фоновое тепловое излучение, свидетельствующее о том, что Вселеннаянесколько миллиардов лет назад находилась в горячем плотном состоянии, ипоэтому не может быть стационарной.

Тем не менее, с философской точки зрения концепция нерождающейся и не умирающей вселенной очень привлекательна. Соединитьфилософские достоинства стационарной вселенной с теорией большого взрыва можнов моделях осциллирующей вселенной. Такая космологическая модель исходит изфридмановской модели со сжатием, дополненной предположением о том, чтовселенная не гибнет при возникновении сингулярностей на обоих временных«концах», а проходит сверхплотное состояние и совершает«скачок» в следующий цикл расширения и сжатия. Такой процесс можетпродолжаться бесконечно. Однако, для того, чтобы не накапливались энтропия ифоновое излучение от предыдущих циклов расширения-сжатия, придётся принять, чтона стадии большой плотности нарушаются все термодинамические законы (потому иэнтропия не накапливается), однако предполагается сохранение законов теорииотносительности. В своём крайнем выражении такая точка зрения допускает, чтовсе законы и мировые константы в каждом цикле будут новыми, а поскольку отцикла к циклу ничего не сохраняется, то можно говорить о физически не связанныхдруг с другом вселенных. С таким же успехом можно предположить одновременноесуществование бесконечного ансамбля вселенных, некоторые из них могут бытьпохожи и на нашу. Эти умозаключения носят чисто философский характер и не могутбыть опровергнуты ни экспериментом, ни наблюдением.(13)

Насколько много гипотез создания Вселенной, настолько жеразнообразен поиск теории всего — стандартная модель, теория струн, М-теория,исключительно простая теория всего, теории Великого объединения и т. д.

Стандартная модель — теоретическая конструкция в физикеэлементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильноевзаимодействие всех элементарных частиц. Стандартная модель не включает в себягравитацию. До сих пор все предсказания стандартной модели подтверждалисьэкспериментом, иногда с фантастической точностью в миллионные доли процента.Только в последние годы стали появляться результаты, в которых предсказаниястандартной модели слегка расходятся с экспериментом и даже явления, крайнетрудно поддающиеся интерпретации в её рамках. С другой стороны, очевидно, чтостандартная модель не может являться последним словом в физике элементарныхчастиц, ибо она содержит слишком много внешних параметров, а также не включаетгравитацию. Поэтому поиск отклонений от стандартной модели — одно из самыхактивных направлений исследования в последние годы.

Теория струн — направление математической физики,изучающее динамику и взаимодействия не точечных частиц, а одномерныхпротяжённых объектов, так называемых квантовых струн. Теория струн сочетает всебе идеи квантовой механики и теории относительности, поэтому на её основе,возможно, будет построена будущая теория квантовой гравитации. Теория струноснована на гипотезе, что все элементарные частицы и их фундаментальныевзаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействийультрамикроскопических квантовых струн на масштабах порядка планковской длины10-35 м. Данный подход, с одной стороны, позволяет избежать таких трудностейквантовой теории поля, как перенормировка, а с другой стороны, приводит к болееглубокому взгляду на структуру материи и пространства-времени.

Квантовая теория струн возникла в начале 1970-х годов врезультате осмысления формул Габриэле Венециано, связанных со струннымимоделями строения адронов. Середина 1980-х и середина 1990-х ознаменовалисьбурным развитием теории струн, ожидалось, что в ближайшее время на основетеории струн будет сформулирована «теория всего». Но, несмотря наматематическую строгость и целостность теории, пока не найдены вариантыэкспериментального подтверждения теории струн. Возникшая для описания адроннойфизики, но не вполне подошедшая для этого, теория оказалась в своего родаэкспериментальном вакууме описания всех взаимодействий.

M-теория (мембранная теория) — современная физическаятеория, созданная с целью объединения фундаментальных взаимодействий. Вкачестве базового объекта используется так называемая «брана» (многомернаямембрана) — протяжённый двухмерный или с бо́льшим числом измерений объект.В середине 1990-х Эдвард Виттен и другие физики-теоретики обнаружили вескиедоказательства того, что различные суперструнные теории представляют собойразличные предельные случаи неразработанной пока 11-мерной М-теории. В середине1980-х теоретики пришли к выводу, что суперсимметрия, являющаяся центральнымзвеном теории струн, может быть включена в неё не одним, а пятью различнымиспособами, что приводит к пяти различным теориям: типа I, типов IIA и IIB, идве гетеротические струнные теории. Только одна из них могла претендовать нароль «теории всего», причём та, которая при низких энергиях икомпактифицированных шести дополнительных измерениях согласовывалась бы среальными наблюдениями. Оставались открытыми вопросы о том, какая именно теорияболее адекватна и что делать с остальными четырьмя теориями.

Исключительно простая теория всего— единая теория поля,которая объединяет все известные физические взаимодействия, существующие вприроде, предложенная американским физиком Гарретом Лиси 6 ноября 2007 года.Теория интересна своей элегантностью, но требует серьёзной доработки. Некоторыеизвестные физики уже высказались в её поддержку, однако в теории обнаружен ряднеточностей и проблем.

Теории Великого объединения — в физике элементарныхчастиц группа теоретических моделей, описывающих единым образом сильное, слабоеи электромагнитное взаимодействия. Предполагается, что при чрезвычайно высокихэнергиях эти взаимодействия объединяются.(10)

Можно с полной уверенностью сказать, что будущие открытияи теории обогатят, а не отвергнут Вселенную, которую открыли нам Пифагор,Аристарх, Кеплер, Ньютон и Эйнштейн, — Вселенную столь же гармоничную, какВселенная Платона и Пифагора, но построенную на гармонии, заключённой вматематических законах; Вселенную не менее совершенную, чем ВселеннаяАристотеля, но черпающую своё совершенство в абстрактных законах симметрии;Вселенную, в которой безграничная пустота межгалактических пространств залитамягким светом, несущим из глубин времени ещё до конца непонятные нам сообщения;Вселенную, у которой есть начало во времени, но нет ни начала, ни конца впространстве, которая, быть может, будет расширяться вечно, а возможно, в одинпрекрасный момент, прекратив расширение, начнёт сжиматься. Эта Вселенная совсемне похожа на ту, которая рисовалась в смелых умах тех, кто первым отважилсязадать вопрос: «А каков наш мир на самом деле?». Но, я думаю, что узнав обэтом, они не огорчились.(1)

Список литературы

1. Лейзер Д., Создавая картину Вселенной, М. 1999.

2. Дэвис П., Суперсила, М. 1989.

3. Зигель Ф.Ю., Вещество Вселенной, М. 1982.

4. Паркер Б., Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения Вселенной,М. 1991.

5. Аруцев А.А., Ермолаев Б.В., Кутателадзе И.О., Слуцкий М.С., Концепциисовременного естествознания, М. 1993.

6. Стародубцев В.А., Концепции современного естествознания, Томск, 2002.

7. Дубнищева Т.Я., Концепции современного естествознания, М. 2006.

8. Хокинг С., Краткая история времени: от большого взрыва до чёрных дыр, С.-П.,2001

9. Садохин А.П., Концепции современного естествознания, М. 2006.

10. http://ru.wikipedia.org/

11. Лавриненко В.Н, Ратников В.П., Концепции современного естествознания, М.2006.

12. Карпенков C.Х., Концепции современного естествознания, М. 2003.

13. Дэвис П., Пространство и время в современной картине Вселенной, М. 1979.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ "ВЕЛИКОГО ОБЪЕДИНЕНИЯ"